【軽量で強い】カーボン-CFRPについて詳しく解説!【レーシングカー/ロードバイク/エアロ】

自動車や航空機に使われカーボン材料
CFRPとは、一体どんな素材なのでしょうか?

 

【書き起こし】【軽量で強い】カーボン-CFRPについて詳しく解説!【レーシングカー/ロードバイク/エアロ】

(00:05) みなさんこんにちはメカのロマンを探求 する会 今回のお題はこれ カーボンについて解説 皆さんは自動車や飛行機のパーツ テニスのラケットやロードバイクで カーボンという素材名やウェットカーボン ドライカーボンという言葉を聞いたことが あるかと思います ところがこのカーボンについて 一体どんなものでどんな特徴があって どんな長所短所があるのかについて意外と 知られていない気がします ということで今回はカーボンについて調べ てきましたのでご紹介したいと思います どんなところに使われている カーボンカーボンとはよく聞きますが いったいどんな場面でこの言葉が使われて いるのでしょうか 自動車月にはカーボン付の方も多いと思い ますが見える部分で gt んぐや ボンネットその他エアロなど あまり見えない分でセルモーターのブラシ ブレーキディスク
(01:09) プロペラシャフトなどに使われています レーシングカーはモノコックそのものが カーボンでできていることがほとんどだと 思いますしブレーキもカーボンブレーキを 採用している車がそれなりにあります それ以外でパッと思いつくのはまず ボーイング787ですね これは世界初のオールカーボン製の旅客機 で胴体も翼もカーボン製です あとはロードバイク これは僕が乗っている自転車ですが フロントフォークもフレームもカーボン製 です オールカーボンじゃなくてもフォークだけ カーボンのロードバイクも多いかと思い ます カーボンという材料はイメージ的には軽量 だけど根が張ってなかなか手が出しにくい かなという材料ですよね 世の中のカーボンニアリーイコール cfrp カーボン材料といえども分類がある gt ウィングとかカーボンボンネットに 使われるカーボンというのは cfrp カーボン繊維強化プラスチックという材料
(02:14) を指します c frb は持ち通りカーボンの繊維で 強化したプラスチックです だからどちらかといえば主役は プラスチックなイメージです この cfrp こそ我々が普段目にする カーボン製品であるといいます 今回は cfrp についてメインに扱い ますがこれについては後で詳しく解説し ます ところがカーボン材料とは言っても cfrp ではないカーボン材料も存在し ます 例えばカーボンブレーキのカーボン ディスク スペースシャトルの外部燃料タンクとが セルモーターのカーボンブラシなどに使わ れるカーボンは cfrp ではありませ ん これらは cc 炭素繊維強化 炭素複合材料と言われる材料です これは単相炭素で強化したともいえる材料 で cfrp に高温を加え プラスチックを炭化させて製造しますだ から全部炭素でできています
(03:20) cc は cfrp よりも強度があり またプラスチックが含まれないため耐熱性 も高い物質です じゃないとブレーキには使えませんよね これら2つ把握までカーボンそのものでは なくカーボンを使った複合材料後で解説で あるといえますが一般的にカーボンという ときには秋炭素そのものに加えて cfrp や cc も含めた意味として使われる ことが多いと思います frp とは cfrp の frp と はなんぞやというお話です frb はハイバーレインフォース度 プラスチックの略でそのままプラスチック を繊維で強化した材料です frp にもいろいろと種類があって せっかくなので紹介しておきます gfrp 元祖 frp でガラスの繊維強化した プラスチックです 慣習的にターン frb というとこの gfrp を指す場合が多いんじゃないか と思います
(04:24) グラファイトの g じゃないので注意が 必要です gfrp は釣り竿とかフルバケット シート意外なところでは食堂も本などにも 使われています [音楽] cfrp 今回の主役 カーボン繊維で補強されたプラスチック です gfrp の次にメジャーね frp だ と言えます b frp これはとて6マイナーですね b は ボロン放送意味します放送自体が身近では ないですが旧ないから存在する対人兵器 たるホウ酸団子の奉書ですね 僕が知っている b frp の使用先は f 15戦闘機の垂直尾翼だけです高性能 なものめちゃくちゃ高価なようです a frp 系 frp a はあ神どの会系はケブラーの系です ケブラーはデュポン社が製造する アラミド繊維の商標です アラミの船員は耐衝撃性が高いので ジェットエンジンのファンブレード飛散
(05:27) 防止や防弾チョッキに使われていたりし ます こんな感じで二 rp にも色々と仲間が いて 今紹介した以外にも存在します gfrp 街の cepa 系の frp を acm と言ったりします c frb はプラスチックをカーボンで 強化しているとはいっても一般的な強化の イメージとはだいぶ違うものであると言え ます frp の基本的な製法はカーボン繊維の 間に固まる前の液体のプラスチックを 染み込ませます そのプラスチックを加熱によりクオカさせ ますいわば鉄筋コンクリートのような作り 方をしているわけです このように frp や鉄筋コンクリート に代表される 異なる材料を組み合わせて一つの材料の ように利用するものを複合材料と言います 一般的にはそれぞれも決定の補い合って 機能します frb の場合プラスチックという材料は
(06:31) 整形しやすく軽い入手が容易 などという嘲笑を持っていますが強度は あまり高くないという欠点があります 一方の船員は繊維で引っ張りには強いもの のふにゃふにゃな材料なので 片瀬的な物は一切持っていません これらがお互いに助け合うと frp という素晴らしい材料が生まれてきます カーボン繊維 c frb はカーボンで強化された プラスチックであるというのはすでに開設 しました それではカーボン繊維とは一体何なの でしょうか カーボン繊維を初めて作ったのは誰なの でしょうか 実はあのトーマスアルバ入り村であると いう説が濃厚です エジソンが京都の竹を使って電球の フィラメントを作ったというのは有名な話 ですが この竹から作ったフィラメントというのは 実は武雄炭化させた炭素繊維んだったん です 現代の炭素繊維はもちろん岳から作るわけ
(07:35) ではありません 簡単に言うとアクリル繊維から作られます あの静電気がバチバチする服に使われて いる材料です アクリルには最終的に欲しいたんその他に 水素と窒素の原資が含まれています アクリル繊維に何度加工を加えて酸素が 実装なくして炭化させていって最終的に 炭素繊維を完成させますこの時の加熱温度 は1戦度 c から2000年にも呼び これが炭素繊維が身近ではない理由の一つ となっています このアクリルから作られた専用パン型と 呼んでいて他にも製造方法が異なるピッチ 系という繊維もあり特性も異なりますが 前者の方がメジャーな存在です カーボン歳の使い方カーボン戦は長いとに したりそれを編んで布にしたり逆に細かく 刻んでプラスチックに混ぜたりもできます 線よ長いまま伊藤や黒として使用すると1 針強度や耐衝撃性は高くなります
(08:42) ところが製造を考えると糸や布一枚一枚 重ねていかなければならないので製造に 多大なコストが必要で機械化が難しい場合 も多いです 一方切ったり粉にした短い炭素繊維で cfrp を作るとプレイスなどによる 製品の製造が可能となり口数などのコスト 削減につながります これらはそれぞれの得意な分野で使い分け られていますしどの程度の繊維の長さに するかも重要な要素のようです ウェットカーボンとドライカーボン 自動車のカーボンボンネットなので ウェットカーボンとドライカーボンという 単語をよく耳にします これは一体どういう意味なのでしょうか cfrp は液体のレジンをカーボン繊維 に染み込ませた後 レジンを硬化させて作る材料です この時カーボン繊維にあらかじめ液体の レジンを染み込ませ ちょっとだけ固めて半生状態にしたものを プリプレグと言います このプリプレグを方に積層して作られた
(09:47) 製品をドライカーボンと呼んでいます 一方ウェットカーボンは船員だけを先に方 によくなりして後カラーレジンを染み込ま せますドライカーブに使われるプリプレグ は厳しい品質管理をされているし また可能な材料なのでウェットカーボン よりも高品質な製品が作りやすくなります レジンは研一に染み込んでいるし貴方が 少ないし繊維の向きも揃っています 須磨変わり半生のレジンということは何も しなくても反応が進んでしまうので プリプレグの管理が煩雑というデメリット もあわせ持っていますこういった理由から カーボン製品の大文句にうちの製品は ドライカーボンです というのをよく見かけるわけです こうやって見てみるとウェットとドライの 意味が逆に感じてしまうので注意が必要か もしれません どちらかと言うとプリプレグの方が ウエット感が出ていますよね cfrp の特徴
(10:51) cfrp にはどんな長所や短所があるの でしょうか 比較対象によって優劣の判定は分かれる 部分もあるので一般的な金属材料と比較し てみます 軽くて強い これはあまりに有名です 軽くて強いからこそレーシングカーや飛行 機に対応されています 同じ断面積での引っ張り強度を比較してみ ます金属の熱処理や合金の含有割合 繊維の細かい種類などによって一概には 言えませんが cfrp が1のときチタンが1 クロモリ鋼が0.84蜘蛛の糸が1.1 なります cfrp とチタンはだいたい同程度です しかし cfrp は圧倒的に軽いという 特徴があります cfrp のミスドはしたんの1/3程度 なので重さあたりの引っ張りも強さは チタンの3倍もあるということになります の軽量さのおかげで車や飛行機を高性能に
(11:55) することができます ここでいう高性能というのは環境性能も 含まれます cfrp は製造時こそ多くのエネルギー を使い co2を多く輩出しますが cfrp により軽量化された車体や機体 を運用することによって燃費が良く エンジンから出る co2配布頭を減らす ことができます ある試算では自動車に cfrp を対応 すると 重量が30%も軽くなって10年間の co2排出量は16%削減されるようです 軽量化は自動車の動力がたとえ電動機に なっても聞いてくる性能向上策なので今後 も自動車分野への cfrp 活用につい てはどんどん研究開発が進んでいくものと 思われます 振動を減衰する これはロードバイク乗りの方がよくご存知 かと思います アルミのロードよりもカーボンのロードの 方が長距離に向いているとよく言われます
(12:59) それはカーボン府連はよく振動を吸収する からなんです僕もそういった理由で カーボンのロードバイクに乗っています プロ森の方が乗り心地はいいみたいですが 選択肢が少ないですよね [音楽] さてこの振動減衰するという長所は自動車 においても活用されていてカーボン プロペラシャフトがその最たるものです 徹夜のプロペラシャフトを使用する場合 固有振動数が無駄になります 固有振動数が高くないとプロペラシャフト も高回転化できません シャフトの回転数が上がるほど振動数は 増えていきます こういう新郎数はプロペラシャフトが短い ほど高くなるので 鉄製プロペラシャフトは分割構造にする ことによって一本一本短くしてジョイント を持っているのが一般的です ところが cfrp でプロペラシャフト を作ると振動をよく吸収してくれるため 一体化することができます もちろん cfrp そんなものの方が比
(14:04) 強度が大きいという長所を駅てきます これらの相乗効果によりカーボン製 プロペラシャフトはスチール製プロペラ シャフトの半分程度の重さに治ってしまい ます ユニバーサルジョイントとつながるつつの エンドの構造を工夫しで事故の時に プロペラシャフトが押しつぶされるように することも可能です これによってプロペラシャフトがつっぱる ことなく安全性が保たれます 重が高く成形しやすい これは frp のメリットと言います frp は整形が面倒な材料ではあるの ですが c 止めざるをプレス加工する場合とは 違ってカーボンの糸や布に液体のレジンを 含浸させてから成形を始めるので基本的に はどんな形のパーツでも作ることができ ます またカーボンを砕いたもので作る cfrp はプレス加工や射出成形でさえも可能に なります このおかげで大きなパーツを一体成型する ことが可能となります
(15:08) 一体化したパーツは組み立てての工数を 削減できるのでコスト削減につながります 強度に方向性がある cfrp のカーボン繊維は繊維なので 強い芳香と弱い方向がありますさける チーズと同じですこういう特性を違法性と 言って cfrp の場合はメリットにも デメリットにもなり得ます 全方向に対して まんべんなく共同が欲しい場合は 船員が方向がバラつかないように製造する 必要があります この違法性を逆手に取り 炭素繊維の方向風することによって強度に 方向性を持たせることもできます 例えば釣竿は長手方向の兵藤が必要なので 船員は手元から先端に向かって走ってい ますそれに加えて曲げ荷重が加わった時 2がつぶれるのを防止するため 円状にもカーボン繊維がまかれているそう です シートメダルにも圧延方向があって曲げ
(16:13) 加工のときの注意ポイントですがこれを 積極的に利用するというのは聞いたことが ありません かっこいい cfrp はロマンの塊であると言えます あの模様はテンションが上がります やはり高性能なレーシングカーや航空機の イメージがあるからでしょうか この格好いいというのはイメージ的なもの のほかに整形の自由度が高いというのも 聞いていると思います 金属で躍動感のある造形にするのは比較的 難易度が高いことですが cfrp で あればそんな二出せな形状も容易に作る ことができます 高価であるこれは cfrp の使命的な 欠点であると思います カーボン戦は1キログラム当たり 3000円程度で鉄の単価はその10分の 1程度だと言われています カーボン戦は高温で処理して製造する必要 があるのでどうしても値段が高くなって しまいます このあたりはアルミニウムを生成するのに
(17:17) 電気代がものすごくかかって電気の缶詰が なんて言われているのと同じような境遇か もしれません cfrp は一体成型が良いで組み立て 工数を削減できるというメリットがある もののポストにおいてこの素材そのものの 区画が足を引っ張ります 耐熱性がないが包丁もしない cfrp のカーボンの部分は耐熱性が 極めて高いですがプラスチックの部分は 耐熱性はイマイチですそれはプラスチック だから仕方ありません だから cfrp は強度が高いのに温度 が高くなる部分には使えません エンジンのインナーパーツなどには使え ないですよね その代わりと言ってはなんですが 熱による膨張が0に近いパーツを作ること ができます この特性は温度差による寸法変化を嫌う 機械などに有効活用されています 例えば宇宙空間などの真空中では日向と
(18:22) 日陰で温度差が非常に大きいです こういう場面で熱膨張率の小ささが効いて くるようです ガルバニックコロージョンを引き起こす カーボンは金属じゃないのに導電性がある という特徴を持っています このため接触する相手によっては ガルバニック follow じゅんを 引き起こします ガルバニックコロージョンは異種金属同士 が接触しているとき原因が大きく連理し やすい方の金属が便利してしまって ぼそぼそになる腐食のことです カーボンは電気を流す総理に金属じゃない からで演技しません だからアルミニウムと接触してさらに水が かかるような場面だとアルミンの方がすぐ にコロージョンが出てしまいます だからカーボンボンネットにアルミの パーツを取り付けるなどするときは間に 塗装したりフィルムを挟むなどして絶縁 処理をしないとアルミがやられてしまい ます そういうこともあって cfrp は コロージョンを起こしづらい
(19:26) チタンと相性が良いと言われています チタンは cfrp と熱膨張率も近い から組み合わせやすいみたいです cfrp の締結にもチタンボルトがよく 使われます でもお金のことを考えたら個人レベルでは ちょっと難しいですよね 破損状況がわかりづらい cfrp は繊維が多くしかも積層されて いることもあるので破損状況がわかり づらいです アルミや鉄の板ならハンマーをぶつけたら 凹むので一発でわかりますが cfrp は 破壊されてもパッと見は元の形状に戻って いるのにん 内部を積層が剥離していたり繊維がちぎれ ているなんてことも起こりえます 共同を持たないカバーなどなら形だけも 乗ればいいのかもしれませんがプロペラ シャフトとかロードバイクのフレームは そういうわけにはいきません この破損状況を調べるには超音波の反射や 10日を使う方法が一番メジャーです リサイクルしづらい
(20:31) これは環境にうるさい今の時代には耳の 痛い話です cfrp を構成するレジンには熱可塑性 と熱硬化性があります 前者は硬化した後再加熱で柔らかくなり 後者は一度降下すると加熱しても柔らかく はなりません 熱硬化性レジンのほうが性能が高いため cfrp の多くはつくを稼いのレジンを 使用しています しかし市固まってノートを柔らかくなら ないということはカーボン製に染み込んで cfrp となった後は普通のやり方では繊維と レジンの分離が不可能ということです 今研究中のリサイクル方法は cfrp を 高温にして レジンを分解した上でカーボン繊維を 取り出そうという方法のようです かなり強引ですよね この方法は大きなエネルギーが必要なもの の最初からカーボン戦4作るよりは省エネ なようです
(21:35) それでも新規に製造する繊維と同等の性能 は持たず別の方法で利用されます このような形でカーボン cfrp は 金属材料と比較して多くの長所や短所を 持っています 自動車分野でも盛んに研究が行われている ようなので今後の技術の発展が楽しみです ということでご視聴ありがとうございまし た 今後もこのような動画を投稿していきます ので是非チャンネル登録お願いします また動画のネタも募集しています 何かリクエストがあればコメント欄にお 願いします

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